Les piles à combustible jouent un rôle majeur dans la création d'un avenir énergétique propre, avec un large éventail d'applications allant de l'alimentation des bâtiments à l'électrification des transports. Mais, comme pour toutes les technologies émergentes, les chercheurs se sont heurtés à de nombreux obstacles pour développer des piles à combustible efficaces et créer un moyen de produire proprement l'hydrogène qui les alimente.
Dans un nouvel article de Perspective, publié dans le Journal de la société électrochimique , les chercheurs visent à aborder un débat fondamental sur les réactions clés derrière les piles à combustible et la production d'hydrogène, lequel, si résolu, pourrait considérablement renforcer les technologies énergétiques propres.
Dans l'article en libre accès, "Perspective — Vers l'établissement de l'énergie apparente de liaison à l'hydrogène comme descripteur des réactions d'oxydation/évolution de l'hydrogène, " Yushan Yan et ses coauteurs de l'Université du Delaware donnent un aperçu faisant autorité des travaux effectués dans les domaines de l'oxydation et de l'évolution de l'hydrogène, présenter des questions clés à débattre, et fournir des pistes pour l'innovation future dans le domaine.
Les réactions d'oxydation et de dégagement d'hydrogène sont deux des réactions électrochimiques les plus simples, pourtant se trouvent être l'épine dorsale du développement de technologies critiques d'énergie propre.
"Ces deux réactions sont à la base des piles à combustible propres, " dit Yan. "Avec l'oxydation de l'hydrogène, vous avez une réaction de pile à combustible. Si vous faites l'évolution de l'hydrogène, produire de l'hydrogène à partir de l'eau, c'est l'électrolyse de l'eau, qui produit de l'hydrogène propre pour les piles à combustible et d'autres applications."
Actuellement, les piles à combustible sont principalement connues pour leur rôle dans l'électrification des transports. Les voitures à pile à combustible ont été mises sur le marché par des entreprises comme Toyota, Honda, et Hyundai, qui continuent à soutenir des véhicules propulsés par des technologies d'énergie propre. La majorité des piles à combustible modernes, spécifiquement ceux utilisés pour les applications automobiles, sont des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), qui fonctionne en échangeant des protons à travers une membrane polymère acide pour produire de l'électricité et de la chaleur.
Cependant, Yan et son équipe cherchent à améliorer ce modèle, examiner les moyens fondamentaux de produire une pile à combustible plus abordable.
"Ce que nous voulons faire, c'est passer d'un acide à une base, " dit Yan. " Cela peut sembler très simple, mais ce changement nous permet d'utiliser des métaux non précieux comme catalyseurs au lieu des métaux du groupe du platine très coûteux. Nous cherchons vraiment à résoudre la barrière devant la technologie des piles à combustible PEM, le rendant moins cher et donc déployable sur le marché de masse."
Les chercheurs ont découvert qu'en commençant le passage d'une pile à combustible acide à une pile à combustible basique, les réactions d'oxydation de l'hydrogène et les réactions de dégagement d'hydrogène sont devenues beaucoup plus lentes, impactant l'efficacité de la technologie. Dans l'article Perspective, le groupe décrit ce problème et commence à formuler des opinions sur les raisons pour lesquelles cela se produit, ainsi que d'inviter des pairs sur le terrain à s'impliquer dans la conversation.
« Faire de la recherche peut être compétitif, mais en même temps, nous avons également besoin que plus de personnes se joignent à la conversation pour que les choses commencent à se dérouler plus rapidement, " dit Yan. " Avec cet article, nous recherchons plus de personnes pour prêter attention à ce problème et se joindre à nous dans le débat."
En s'intéressant de plus près aux réactions fondamentales indispensables à la propulsion des technologies de pile à combustible et de production d'hydrogène propre, Yan pense que des progrès significatifs pourraient être réalisés pour les applications futures.
« Quand vous abordez ces questions très fondamentales, il pourrait y avoir un impact immédiat, " dit Yan. " Dans cet article, on parle d'oxydation de l'hydrogène, qui est pour les piles à combustible. Mais nous parlons aussi de la réaction inverse, qui est le dégagement d'hydrogène. L'évolution de l'hydrogène consiste à produire de l'hydrogène à partir de l'eau en utilisant l'énergie éolienne et solaire. C'est de l'hydrogène propre. Sûr, que l'hydrogène peut alimenter les véhicules à pile à combustible, mais l'hydrogène a de nombreuses autres applications."
Certaines de ces autres applications incluent la synthèse d'ammoniac. Sans engrais à base d'ammoniaque, le monde serait incapable de produire suffisamment de nourriture pour nourrir sa population. Alors que la production d'ammoniac est essentielle à l'humanité, l'hydrogène nécessaire à sa production provient de combustibles fossiles. L'ammoniac est actuellement produit par une réaction entre l'azote et l'hydrogène, appelé procédé Haber-Bosch, où l'hydrogène est produit à partir du reformage du gaz naturel. Si l'hydrogène utilisé dans ce processus était plutôt produit selon une méthode propre, l'impact environnemental global s'en trouverait considérablement amélioré.
Le type d'article Perspective d'ECS a fourni à Yan et à ses coauteurs une plate-forme unique pour présenter leurs idées. Au lieu d'un article de recherche traditionnel, Les articles ECS Perspective permettent aux chercheurs de discuter de nouvelles perspectives dans leur domaine, avec la capacité de générer de nouvelles idées et de faire progresser les domaines liés à l'électrochimie et à la science des solides.
"L'article Perspective nous a permis de résumer ce qui se passe dans ce domaine, mais plus important, décrire ce qui pourrait être fait ou ce qui doit être fait à l'avenir, " dit Yan. " En publiant avec le Journal de la société électrochimique , J'ai senti que nous atteindrions le public le plus approprié, bien équipé pour proposer de nouvelles idées."
Yan espère que cet article pourra stimuler une conversation autour des réactions fondamentales dans les piles à combustible et commencer un échange d'idées, potentiellement accélérer les progrès dans le domaine.
"Mon scénario de rêve, " Yan dit, "Est-ce qu'un jour, Je verrais ma pile à combustible à membrane échangeuse d'hydroxyde être mise en œuvre dans une voiture."
